Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy

Mục đích của đề tài Phân tích kết quả tính toán sự an toàn của nền đắp trên đất yếu khi tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phương pháp trên để tí

MỞ ĐẦU 0.1 Sự cần thiết của đề tài

Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn, thường gặp ở nước

ta Khi xây dựng nền đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát, thiết kế cẩn thận

và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đắp xây dựng trên đó thường dễ mất ổn định, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác và sử dụng mặt nền

Đã có nhiều phương pháp được nêu ra để tính toán ổn định và lún của nền đắp trên đất yếu, trong đó có phương pháp đã được đưa vào Tiêu chuẩn hiện hành Các phương pháp này phản ảnh ở mức độ nào đó thực trạng của công trình khi bị mất

ổn định Tuy nhiên, các phương pháp này mang tính tiền định, không xét một cách đầy đủ đặc tính ngẫu nhiên của các tham số tính toán của đất nền, đất đắp và các tải trọng được đưa vào tính toán, cũng như không xét đến yếu tố thời gian Do đó, trong nhiều trường hợp, công trình nền đắp đã bị mất ổn định hoặc lún quá nhiều gây hậu quả nghiêm trọng mặc dù việc thiết kế, thi công và khai thác công trình nền đã tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn, Quy phạm hiện hành

Rõ ràng, c ần phải xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số của đất và tải trọng trong tính toán công trình nền đắp Việc đánh giá an toàn của nền đắp trên đất yếu xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số kể trên chỉ được giải quyết trên cơ

sở lý thuyết xác suất và độ tin cậy Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” có tính

cấp thiết và giải quyết vấn đề trên là mục đích c ủa Luận văn này

0.2 Mục đích của đề tài

Phân tích kết quả tính toán sự an toàn của nền đắp trên đất yếu khi tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phương pháp trên

để tính toán nền đắp trên đất yếu trong điều kiện cụ thể của một công trình

0.3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phương pháp nghiên cứu của đề tài : Nghiên cứu các tài liệu thí nghiệm từ

các nguồn khác nhau kết hợp với phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ổn định về trƣợt sâu, về lún trồi

của công trình nền đắp trên đất yếu theo các Tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết

độ tin cậy

0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho việc thiết

kế và thi công nền đắp trên đất yếu

Ý nghĩa thực tiễn: Lý giải đƣợc những nguyên nhân xảy ra nhiều sự cố của

nền đắp trên đất yếu khi thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu đã tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành để có giải pháp tránh đƣợc những sự cố này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm về đất yếu

Cho đến nay, khái niệm đất yếu chưa thật rõ ràng và thống nhất vì tùy theo quy mô công trình và t ải trọng tác dụng mà nền đất sẽ có mức độ tương tác với công trình khác nhau Có khi đất nền là yếu với cấp loại công trình này nhưng l ại không yếu với cấp loại công trình khác Theo quan niệm của nhiều nhà khoa học về địa kỹ thuật và về xây dựng, đất yếu thường được hiểu như sau [2], [13]:

Đất yếu là loại đất có độ ẩm lớn hơn 80%, mô đun biến dạng thấp, với khoảng

áp lực (0,05÷0,3) MPa thì E0 ≤ 5 MP a

Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, kho ảng(0,05÷0,1) MPa

Góc ma sát trong của đất υ = 20÷100, lực dính đơn vị khoảng (0,002÷0,03) MPa

Tính biến dạng lớn, trong thế nằm tự nhiên đất yếu có mật độ không lớn – khi tải trọng (0,1÷0,15) MPa thì độ lún của đất có thể đạt đến (10÷15)% chiều dày c ủa lớp đất Thông thường, hệ số rỗng của các đất yếu e > 1,0

Quá trình cố kết của đ ất yếu diễn ra trong kho ảng thời gian rất dài Do khả năng thấm nhỏ, hệ số thấm dao động trong khoảng (10-6

÷10-9) cm/s, nên độ lún cuối cùng c ủa công trình kéo dài có khi đến hàng chục năm

Vì thế, nếu không có biện pháp xử lý đúng đ ắn thì việc xây dựng công trình trên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được

Theo 22TCN 262-2000 [1], tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thế

có nguồn gốc khoáng vật ho ặcnguồn gốc hữu cơ

Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình tr ầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng ho ặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số

rỗng lớn (sét e ≥ 1,5 , á sét e ≥ 1), lực dính с theo kết quả cắt nhanh không thoát

có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật)

1.2 Những sự cố thường xảy ra của nền đắp trên đất yếu

Nền đắp trên đất yếu thường được thi công nhanh, do đó ứng suất trong đất yếu cũng như áp lực nước lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng khiến cho cường độ kháng cắt của đất trở nên không kịp đủ cân bằng với ứng suất cắt do tải trọng gây ra trong khối đ ất

Đó là lý do làm cho nền đắp trên đất yếu dễ bị phá hoại trong quá trình xây dựng, và là những phá hoại trước mắt

Sau khi xây dựng, áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống, cường độ kháng c ắt tăng lên và độ ổn định của nền được cải thiện

Tương quan τmax= C’ + (σ – u)tgυ’ giữa cường độ kháng cắt τmax của đ ất với ứng suất có hiệu σ’= σ – u cho phép ta giải thích hiện tượng trên

Từ những điều trên và kinh nghiệm cho thấy các hư hỏng c ủa nền đắp trên đ ất yếu thường là các phá ho ại do trượt quay với cung trượt tròn

Trong các trường hợp đ ặc biệt, nền đất thiên nhiên rất đồng nhất hoặc đáy nền đất được tăng cường thì cơ cấu của sự phá hoại là cơ cấu phá hoại của đất nền chịu tác dụng của một móng nông Trong trường hợp này đất nền sẽ bị phá ho ại theo kiểu lún trồi và việc tính toán độ ổn định được tiến hành như tính móng nông cổ điển

1.2.1 Phá hoại do trượt trụ tròn

Kiểu phá ho ại này thường gặp trong xây dựng đường do dạng hình học thông thường của nền đắp Một mặt trượt dạng trụ tròn được sinh ra do nền đắp bị lún cục

bộ (h 1.1) Hậu quả của sự lún này là một bộ phận của nền đắp và đất nền thiên nhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị và có hình dạng thay đổi theo tính chất và các đặc tính cơ học của vật liệu dưới nền đắp Để tính toán, trong các trường hợp đơn giản nhất thường xem mặt phá hoại tương tự một mặt trụ tròn và sự trượt được gọi là trượt trụ tròn

Sự phá ho ại của đất yếu do lún trồi hoặc trượt sâu vì đắp nền quá cao là một hiện tượng xảy ra nhanh chóng trong khi thi công hoặc sau khi thi công xong một thời gian ngắn

Hình 1.2 Phá hoại của nền đắp do lún trồi

1.3 Các giải pháp khắc phục các sự cố của nền đắp trên đất yếu

Khi kết quả tính toán kiểm tra ổn định cho thấy không thể đạt được một hệ số

an toàn lớn hơn ho ặc bằng hệ số an toàn cho phép trong Tiêu chuẩn (K = 1,5) ứng với chiều cao nền đ ắp sẽ xây dựng thì phải áp dụng các biện pháp cải thiện điều kiện ổn định

Các biện pháp này gồm có việc sửa chữa hình học của công trình, xây dựng nền đ ắp theo giai đo ạn, cải thiện (hoặc tăng cường) đất yếu Các giải pháp khác như tăng cường đáy nền đắp, dùng vật liệu nhẹ,… thường ít được dùng

1.3.1 Sửa chữa hình học

Sửa chữa hình là việc thay đổi kích thức nền đắp Có thể sửa đối kích thước hình học của nền đắp theo hướng tăng độ ổn định bằng việc giảm độ dốc mái taluy Tuy nhiên, nếu giảm độ dốc mái taluy quá 1/3 thì không c ải thiện được độ ổn định

so với làm bệ phản áp, hơn nữa không phải ở vị trí nào cũng cho phép giảm độ dốc mái taluy

1.3.2 Thay thế lớp đất yếu bằng lớp đất tốt

Việc thay đ ất là đào bỏ đất xấu để thay bằng đất tốt và đầm chăt Việc thay đất này sẽ kho khăn hơn khi thi công dưới nước và thực tế chỉ giới hạn với các chiều sâu đến vài mét Mặt khác việc thay đất cũng thường ảnh hưởng đến môi trường

Việc thay thế toàn bộ ho ặc một phần đất yếu bằng vật liệu có cường độ cao hơn và ít biến dạng hơn sẽ khắc phục được toàn bộ hoặc một phần các vấn đề về lún và ổn định

1.3.3 Xây dựng theo giai đoạn

Xây dựng theo giai đoạn là tiến hành đ ắp nền đến một chiều cao đầu tiên sao cho hệ số an toàn F ≥ 1,5 và chờ cho đất yếu cố kết (cải thiện cường độ kháng cắt) Trong giai đoạn cố kết, hệ số an toàn tăng lên khi tải trọng không đổi Như vậy có thể đắp nền thêm một chiều cao mới để giảm hệ số an toàn đến trị số tối thiểu là 1,5

và lặp lại quá trình một số lần cần thiết

Do thời gian cố kết cần thiết giữa hai giai đoạn khá dài nên hiếm khi đắp nền đường đến ba giai đoạn

Thời gian thi công gi ảm đáng kể nếu làm đường thấm thẳng đứng

Việc tính toán kiểm tra độ ổn định trước khi đắp một lớp nền mới được tiến hành với ứng suất tổng, trên cơ sở của trị số lực dính không thoát nước được tăng lên do cố kết và được xác định theo một trong hai phương pháp sau:

- Đo bằng thiết bị cắt cánh hiện trường – Đưa trực tiếp trị số đo được vào tính toán không cần điều chỉnh, tải trọng của nền đắp có tác dụng phá ho ại kết cấu của đất sét và giảm bớt vai trò của các nhân tố điều chỉnh của Bjerrum

- Đánh giá độ tăng của lực dính không thoát nước – độ tăng này có thể tính bằng số theo công thức:

ΔCu = Δσ’tgυcu Dưới tim nền đường đắp Δσ’= Δσ.U, với Δσ là tổng ứng suất do nền đắp gây

ra và U là độ cố kết được đánh giá hoặc xác định theo kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng tại chỗ

Hình 1.3 Nguyên tắc xây dựng nền đắp theo giai đoạn

Hình 1.4 Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính do cố

kết

1.3.4 Cải thiện các tính chất của đất yếu

Có thể cải thiện tính chất c ủa đ ất yếu do sự cố kết của khối đất dưới nền đắp hoặc do tăng cường khối đất bằng các cột balat hoặc cột đất gia cố vôi, các cột này còn có tác dụng thoát nước

Sự cố kết của khối đất yếu xảy ra dưới tác dụng của các ứng suất do nền đắp gây ra Khi các điều kiện về ổn định và thời hạn thi công cho phép, có thể xây dựng nền đ ắp đến một chiều cao lớn hơn chiều cao của thiết kế và như vậy đã tác dụng thêm một gia tải để tăng nhanh độ lún Trong trường hợp chung, thời gian cố kết sẽ rất dài, có thể đến vài năm ho ặc vài thập kỷ Như vậy cần tăng nhanh hiện tượng cố kết bằng cách làm đường thấm thẳng đứng để giảm chiều dài c ủa đường thoát nước Cũng có thể tăng nhanh cố kết bằng phương pháp cố kết động tức là thả rơi các vật nặng trên mặt nền sau khi làm đường thấm thẳng đứng

Cũng có thể tăng cường khối đất yếu bằng các cột vật liệu có cường độ tốt hơn đất thiên nhiên tại chỗ Hai kỹ thuật đã được sử dụng là:

- Cột balat: Thay c ục bộ đ ất yếu bằng các cột vật liệu hạt đã đ ầm chặt

- Cột đất gia cố vôi: Trộn vôi sống với đất sét tại chỗ làm tăng đáng kể các tính chất của đất sét mềm

1.3.5 Các phương pháp khác

Tăng cường đáy nền đắp bằng các vật liệu thiên nhiên (bó cành cây, tre,…) hoặc các thảm vật liệu thấm tổng hợp (geotextiles), hoặc có thể sử dụng vải địa kỹ thuật rải trên mặt đất yếu trước khi đắp

Đắp bằng vật liệu nhẹ: Puzulan, trấu nung, vỏ sò, khối polystyren kết cấu tổ ong

Xây dựng nền đắp trên các cọc cát

1.4 Các phương pháp tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

1.4.1 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm tiền định

Trong hơn nửa thế kỷ qua, việc thiết kế các công trình và nền của chúng chủ yếu dựa trên cơ sở phương pháp các trạng thái giới hạn hoặc các phương pháp tương

tự [4] Theo phương pháp các trạng thái giới hạn, một hệ số an toàn duy nhất của phương pháp tải trọng phá hoại đã được thay bằng hàng loạt các hệ số, xét đến các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến trạng thái c ủa kết cấu:

– hệ số độ tin cậy về vật liệu;

– các hệ số độ tin cậy về tải trọng (hệ số vượt tải và hệ số tổ hợp tải trọng); – các hệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó;

– hệ số độ chính xác của các thao tác công nghệ;

– hệ số độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu

Đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của kết cấu Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình cần phải được thực hiện sao cho không để xảy ra các trạng thái giới hạn của nó Trạng thái của kết cấu, mà với trạng thái ấy kết cấu không thể thoả mãn các yêu cầu khai thác, được gọi là trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn có thể xảy ra của các kết cấu và nền của chúng được chia thành các nhóm Khi đó độ bền của kết cấu trở thành một tính chất riêng, và đã xuất hiện trường hợp, khi mà kết cấu đủ bền nhưng không thể tiếp tục khai thác được vì đạt đến các trạng thái giới hạn khác (ví dụ, do nguyên nhân độ võng lớn hoặc bề rộng vết nứt mở rộng quá mức cho phép) [4]

Các trạng thái giới hạn được chia thành hai nhóm

Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất bao gồm những trạng thái giới hạn dẫn tới bất lợi hoàn toàn cho khai thác công trình, nền hoặc dẫn tới phá hoại hoàn toàn (hoặc một phần) khả năng chịu tải Những trạng thái giới hạn này có thể xem như những trạng thái giới hạn tuyệt đối Chúng được đặc trưng bởi: sự phá hoại có đặc trưng bất kỳ (ví dụ dẻo, giòn, mỏi); mất ổn định hình dạng dẫn đến bất lợi hoàn toàn khi khai thác; mất ổn định vị trí; chuyển sang hệ biến hình; thay đổi chất lượng kết cấu; những hiện tượng khác nhau khi đó buộc phải ngừng khai thác Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm các trạng thái giới hạn gây khó khăn cho khai thác bình thường công trình hoặc nền, làm suy giảm tuổi thọ của công trình so với thời hạn phục vụ đã được thiết lập khi thiết kế Những trạng thái giới hạn này có thể xem như trạng thái giới hạn chức năng Chúng được đặc trưng bởi: sự đạt đến chuyển vị giới hạn của kết cấu ho ặc biến dạng giới hạn của nền; mức dao động của giới hạn kết cấu ho ặc ho ặc nền; mất ổn định hình dạng dẫn đến khó khăn cho khai thác bình thường, cũng như các hiện tượng khác, khi đó buộc phải giảm tạm thời thời hạn phục vụ

Cũng cần bổ sung khi giới thiệu nội dung mới là: cùng với những khái niệm

và khả năng chịu tải và tính thích hợp cho khai thác thì khái niệm sức sống cũng xác định thêm một nhóm các trạng thái giới hạn mới Sức sống được xem là tính chất bảo tồn khả năng thực hiện các chức năng chủ yếu của hệ dưới tác dụng của những nhiễu loạn mang tính thảm họ a, mà không được phép phát triển các nhiễu loạn và các sự cố theo kiểu dòng thác [8]

Vì thế, trong nhiều trường hợp, có thể bổ sung nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba Nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba - theo sức sống - bao gồm các trạng thái giới hạn được đặc trưng bởi sự phát triển các phá hoại có dạng dòng thác dẫn đến loại bỏ hoàn toàn các thành phần của hệ Nguyên nhân của sự phát triển tương

tự có thể là những tác động có tính thảm họa, cũng như những sai lầm đáng tiếc khi thi công hoặc khi khai thác Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ

ba chính là đảm bảo khả năng chịu tải của công trình khi loại ra khỏi sơ đồ tính

toán một hoặc một số bộ phận chịu tải, ho ặc khi hình thành một số tải trọng, dạng nhiễu loạn có thể phải được ghi vào nhiệm vụ thiết kế

Việc tính toán theo các trạn thái giới hạn nhằm đảm bảo sự tin cậy của công trình trong cả vòng đời phục vụ của chúng, cũng như trong quá trình xây dựng Những điều kiện bảo đảm độ tin cậy chính là đảm bảo các giá trị tính toán của tải trọng hoặc nội lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị do chúng gây ra không vượt qua các giá trị giới hạn tương ứng được xác định trong các tiêu chuẩn hiện hành thiết kế nền

Điều kiện tổng quát không vượt qua các trạng thái giới hạn có thể biểu diễn dưới dạng [4],[8]:

G( aiFp, biRp, γn, , γa,γd, C) ≥ 0, (1.1) trong đó : Fp – là giá trị tính toán của tải trọng , aiFp – là hiệu ứng tải trọng (đó là nội lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, ), ai – là hàm của các tham số hình học và vật lý của kết cấu, Fp= γfFH, γf – là hệ số tin cậy về tải trọng, FH – là giá trị tiêu chuẩn của tải trọng; Rp – là giá trị tính toán của sức bền vật liệu, biRp– là khả năng chịu tải của kết cấu, bi là hàm c ủa các tham số thiết diện ngang,… Rp= RH/γm, ,γm –

là hệ số độ tin cậy về vật liệu, RH – là giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu; γn – là

hệ số tin cậy về ý nghĩa và tính chất quan trọng của kết cấu (là hệ số “tầm quan trọng” trong các tiêu chuẩn của các nước); γd – là hệ số điều kiện làm việc γa– là hệ

số độ chính xác; C – là hằng số bao gồm những ràng buộc được chọn trước, được cho với một số các giới hạn trạng thái giới hạn, điều kiện xác định biên của vùng trạng thái cho phép của công trình

Các yếu tố đa dạng, phong phú mà trạng thái của công trình phụ thuộc vào chúng, được đưa vào (1.1), có thể phân chia ra một cách giả định làm hai nhóm Nhóm thứ nhất là các yếu tố phụ thuộc vào tính chất của bản thân công trình, nhóm thứ hai là các yếu tố phụ thuộc chủ yếu vào các tác động bên ngoài

Các đại lượng tính toán cũng được phân chia thành hai nhóm như vậy, vì phần lớn các trường hợp giữa chúng không có mối liên hệ tương quan Mặc dù có thể

dẫn ra các ví dụ về sự ảnh hưởng lẫn nhau c ủa các yếu tố của hai nhóm này, xong phổ biến hơn c ả là trường hợp giữa chúng có tính độc lập

Khi đó đối với các trạng thái giới hạn thứ nhất, điều kiện (1.1) có thể được biểu diễn bởi mối quan hệ [8]:

γngF( aiFp, γa, γd,) ≤ gR(biRp), (1.2) tức là nội lực trong nền không được vượt quá sức chịu tải

Đối với nhóm các trạng thái giới hạn thứ hai, điều kiện (1.1) có thể viết dưới dạng [8]:

γngF( aiFp, γa, γd,) ≤ C (1.3) Khi thiết kế công trình cần phải xem xét các tình huống tính toán, là tập hợp các điều kiện xác định các yêu cầu tính toán đối với công trình đang xét Có thể xét những tình huống tính toán sau đây :

 Tình huống xác lập có thời gian tồn tại trong kho ảng thời hạn phục vụ hoặc chu trình vòng đời của đối tượng xây dựng;

 Tình huống chuyển tiếp có thời gian tồn tại không lớn hơn so với thời hạn phục vụ của đối tượng xây dựng;

 Tình huống hư hỏng có xác suất xuất hiện nhỏ và thời gian tồn tại không lớn, nhưng là tình huống rất quan trọng xét về góc độ hậu quả khi đạt đến các trạng thái giới hạn có thể xảy ra trong tình huống đó

Những tình huống tính toán được đặc trưng bởi các sơ đồ tính toán, dạng và giá trị của tải trọng, giá trị các hệ số tin cậy, danh mục giới hạn cần phải xem xét trong tình huống này

Các tham số của sức chịu đựng của vật liệu chịu tác động của tải trọng, được xác định trong các tiêu chuẩn thiết kế – là những giá trị tiêu chuẩn của sức bền có tính đến độ biến động ngẫu nhiên của các tính chất cơ học của vật liệu Người ta thừa nhận rằng, suất bảo đảm của các giá trị tiêu chuẩn của sức bền không được nhỏ hơn 0.95 Giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu thường cho phép lấy bằng giá

trị đặc trưng kiểm tra hoặc đặc trưng hư hỏng, được chỉ ra trong các tài liệu tiêu chuẩn tương ứng về vật liệu

Ngoài những giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu – như mô đun đàn hồi, hệ

số ma sát, lực dính, từ biến, độ sụt lún,… được lấy theo giá trị trung bình của các số liệu thống kê

Nếu các đ ại lượng đặc trưng cho tính chất của vật liệu và đ ất nền là những hàm của các đại lượng khác hoặc được tìm ra từ những quan hệ tương quan c ủa chúng, thì các giá trị tiêu chuẩn của các đặc trưng của vật liệu và đ ất nền có thể nhận được bằng tính toán có thể sử dụng các quan hệ được cho trong các tiêu chuẩn thiết kế

Độ lệch có thể của sức bền và các đặc trưng khác của vật liệu và đất nền về phía bất lợi so với giá trị tiêu chuẩn được xem xét đến bằng các hệ số tin cậy về vật liệu và đất nền γm,được xác định trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu và nền tùy thuộc vào tính chất của vật liệu và đất nền, tính biến động thống kê của chúng (với suất bảo đảm tùy thuộc vào dạng trạng thái giới hạn), cũng còn xét đến các yếu tố không thể khẳng định bằng cách thống kê (đặc biệt là đ ặc trưng phá hoại vật liệu, dung sai chiều dầy thép cán, kinh nghiệm thực tế,…)

Giá trị tính toán của sức bền vật liệu hoặc giá trị tính toán của đ ặc trưng của đất được gọi là giá trị sức bền hoặc đặc trưng nhận được bằng cách chia giá trị tiêu chuẩn của sức bền RH hoặc giá trị đặc trưng cho hệ số tin cậy về vật liệu và đất nền

γm.Cho phép xác định các giá trị tính toán khác của đặc trưng vật liệu bằng cách chia các giá trị tiêu chuẩn của chúng cho hệ số tin cậy của sức bền vật liệu

Giá trị tiêu chuẩn RH của tải trọng và tác động là những đặc trưng chủ yếu của tải trọng, giá trị của chúng và việc phân lo ại chúng cho các tiêu chuẩn về tải trọng

Hệ số tin cậy về tải trọng γf là hệ số xét đến những sai lệch bất lợi có thể của các tác động (tải trọng là một dạng riêng của tác động) so với giá trị tiêu chuẩn của

nó do tính biến động của tải trọng hoặc do sự sai lệch so với điều kiện khai thác bình thường gây ra Nhân hệ số này với giá trị tiêu chuẩn của tác động FH để nhận

được giá trị tính toán của nó Fp Khi có những tài liệu thống kê, cho phép xác định trực tiếp các giá trị tính toán của tải trọng theo xác suất đã vượt qua chúng Giá trị của hệ số này cũng như các giá trị tiêu chuẩn của các tác động được xác định từ những nghiên cứu bản chất của các tác động và phân tích các tài liệu thống kê về chúng Giá trị hệ số γfcó thể khác nhau đối với các trạng thái giới hạn khác nhau và các tình huống tính toán khác nhau Khi xác định các giá trị tiêu chuẩn và các giá trị tính toán của tải trọng thay đổi theo thời gian, cho phép xét đến thời hạn phục vụ

ấn định trước của nhà hoặc công trình

Hệ số xác định γa là hệ số xét đến những sai lệch bất lợi có thể của các đặc trưng hình học (kích thước các bộ phận của kết cấu, sự bố trí tương hỗ lẫn nhau của chúng, độ võng ban đầu,…) so với các giá trị tính toán tiêu chuẩn của chúng Nhân

hệ số này với giá trị tiêu chuẩn của các đặc trưng hình học để nhận được giá trị tính toán c ủa nó Phần lớn các trường hợp, thay cho hệ số độ chính xác, trong các tiêu chuẩn có sử dụng yếu tố bổ sung được thêm vào các giá trị tiêu chuẩn và đóng vai trò như hệ số chính xác Trong một số trường hợp, độ sai lệch của kích thước hình học được xét đến bằng hệ số về vật liệu Giá trị hệ số chính xác và các yếu tố bổ sung được xác định trên cơ sở nghiên cứu các điều kiện chế tạo và lắp dựng kết cấu (có xét đến những quy tắc tiêu chuẩn hóa dung sai và kiểm tra chất lượng) và phân tích các tài liệu thống kê về các đặc trưng hình học tương ứng

Hệ số điều kiện làm việc (hệ số mô hình) γd là hệ số phản ánh các yếu tố làm đơn giản hóa mô hình tính toán, không được xét một cách trực tiếp

Hệ số tin cậy γn (hệ số trách nhiệm, hệ số quan trọng) là hệ số về ý nghĩa, nó xét đến tầm quan trọng của công trình và ảnh hưởng của chúng đến mức tin cậy yêu cầu, nó được đưa vào bất phương trình cơ bản (1.1) và là những yêu cầu chủ yếu của phương pháp các trạng thái giới hạn Các yêu cầu đó là nội lực trong các bộ phận kết cấu ho ặc giá trị tính toán của tải trọng tác động lên toàn bộ công trình, đã xét đến tất cả các hệ số, không được vượt quá khả năng chịu tải của các bộ phận công trình hoặc toàn bộ công trình, trong đó khả năng cũng đã xét đến những hệ số tương ứng Hệ số này được nhân với hiệu ứng tải trọng

Giá trị hệ số tin cậy về ý nghĩa γn được xác định tùy thuộc vào mức độ quan trọng của nhà và công trình được phân cấp Ví dụ như trong tài liệu kỹ thuật chuyên ngành đã xác định được ba mức quan trọng (cấp 1 – là cấp có mức độ quan trọng cao, cấp 2 – là cấp bình thường, cấp 3 – là mức thấp)

Từ điều vừa trình bày cho thấy rằng phương pháp các trạng thái giới hạn có hai đặc trưng :

 Thứ nhất là từ tập hợp các trạng thái có thể của kết cấu chỉ chọn những trạng thái giới hạn, nghĩa là những trạng thái, khi kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu khai thác đã cho Đối với các trạng thái này các điều kiện không đạt đến nó được viết ra

 Thứ hai, tất cả những đại lượng xuất phát đều có bản chất ngẫu nhiên (nghĩa là những đại lượng ấy có thể lấy ra những giá trị khác nhau với xác suất khác nhau) được thể hiện trong các tiêu chuẩn thiết kế bởi những giá trị tiêu chuẩn tiền định, còn ảnh hưởng của độ biến động của chúng đến độ tin cậy của kết cấu được xét đến bởi các hệ số tin cậy Mỗi hệ số xét đến độ biến động chỉ của một đại lượng xuất phát, nghĩa là độ tin cậy sẽ phụ thuộc vào đạo hàm riêng của hàm này theo các biến tương ứng, Vì vậy, các hệ số này cũng được gọi là những hệ số tin cậy riêng

 Phương pháp các trạng thái giới hạn về hình thức là tiền định Tuy nhiên,

nó có thể được dùng làm cơ sở xác suất với mức tin c ậy bất kỳ Mức tin cậy tùy thuộc vào mức tin cậy của thủ tục được sử dụng để lựa chọn các giá trị của các hệ

số độ tin cậy Những thủ tục này dựa trên kinh nghiệm thiết kế có sử dụng những kết quả nghiên c ứu lý thuyết độ tin cậy của công trình [8]

1.4.2 Sự cần thiết tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm của lý

thuyết độ tin cậy

1.4.2.1 Những vấn đề còn tồn tại của phương pháp các trạng thái giới hạn

Trước hết, quan hệ giữa các hàm độ bền R và hàm nội lực S với các biến cơ bản (các tham số đầu vào) là các quan hệ đơn định hay tiền định Các tham số tính toán được coi là các đại lượng không đổi, không phải là các đại lượng ngẫu nhiên,

trong khi các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra bản chất chúng là các đ ại lượng ngẫu nhiên, phân tán theo quy luật phân bố nhất định và chủ yếu phân bố theo quy luật chuẩn ho ặc gần chuẩn [4], [6], [14]

Các hệ số về vật liệu và tải trọng từ công thức (1.1) là γf, γm ,… được sử dụng trong phương pháp các trạng thái giới hạn thực tế có tính thống kê lại có giá trị không đổi

Các hệ số điều kiện làm việc và hệ số tính chất quan trọng của kết cấu và nền

là các giá trị đã được định trước và được lấy chủ yếu theo kinh nghiệm nhiều năm thiết kế và khai thác các công trình tương tự [4]

Phương pháp các trạng thái giới hạn không xét được yếu tố thời gian, các hệ

số được đưa vào với hàm ý kể đến yếu tố thời gian chỉ mang tính ước lệ, không rõ ràng

thuyết độ tin cậy

Những nhược điểm của phương pháp các trạng thái giới hạn là rõ ràng và vẫn chưa khắc phục được Vào giai đoạn gần đây nhất, sự phát triển phương pháp tính kết cấu xây dựng và nền theo các trạng thái giới hạn được đặc trưng bởi sự thường xuyên làm chính xác hơn các nội dung tính toán riêng biệt và các hệ số kinh nghiệm mà không có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá chất lượng kết cấu và nền Tuy nhiên, việc làm chính xác hơn các nội dung và các hệ số chỉ đạt đến một giới hạn nào đó, còn sau đó thì hoặc là không hiệu quả, hoặc là không an toàn [15]

Để khắc phục vấn đề vừa nêu, hiện nay trên thế giới đã hình thành một hệ thống các phương pháp tính toán theo quan điểm mới, đó là tính kết cấu công trình

và nền theo lý thuyết xác suất và lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết tính toán mới trên

cở sở vẫn dựa vào các tiêu chuẩn hiện hành ở phần các điểm xuất phát, các điều kiện làm việc và sơ đồ tính, cũng như l ựa chọn mô hình xác suất nhưng vẫn xét đến

và sử dụng các thuật toán tiền định Có nghĩa là, phương pháp giải theo xác suất không thể thay thế hoàn toàn cho cách gi ải bài toán tiền định [4]

Rõ ràng, cũng nhƣ các dạng công trình khác, trạng thái phức tạp của nền đắp trên đất yếu, phụ thuộc vào các tham số có bản chất ngẫu nhiên, không thể đƣợc miêu tả một cách thích hợp trong khuôn khổ các quan hệ hàm số với tính đơn trị và tiền định

Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu

chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” đã đƣợc đặt ra để nghiên c ứu

Nội dung c ủa Luận văn không có tham vọ ng giải quyết hết các vấn đề liên quan đến an toàn của công trình nền đắp trên đất yếu, mà chỉ tập trung nghiên cứu, tính toán tiền định theo Tiêu chuẩn hiện hành, cũng nhƣ tính toán xác suất về ổn định trƣợt sâu và lún trồi Đó cũng là mục đích của Luận văn

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU THEO TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH VÀ THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tiền định nền đắp trên đất yếu

Nền đất yếu là vùng đất yếu dưới nền đắp chịu tác động của nền đắp với tải trọng ngoài tác dụng bên trên gây biến dạng và có thể gây mất ổn định cho nền Nhiệm vụ hàng đầu của việc thiết kế và xây dựng nền đ ắp trên đất yếu là bảo đảm ổn định tổng thể cho nền đất yếu, tức là không để xảy ra phá hoại theo dạng trượt sâu và lún trồi trong thời gian xây dựng cũng như trong thời kỳ khai thác Mức độ ổn định của nền đất dưới nền đắp cao hay thấp hay không ổn định là tùy thuộc vào mức độ xuất hiện vùng phá ho ại với kích thước nhỏ hay lớn hay không xuất hiện

Khi tính toán nền đắp trên đất yếu về ổn định, có thể áp dụng các phương pháp tính toán kiểm tra ổn định chung của mái dốc

Đã có nhiều phương pháp tính kiểm tra ổn định chung của của công trình dạng mái dốc hoặc nền đắp trên đất yếu được đề xuất, nhưng các phương pháp này đều thuộc một trong hai nhóm [7]:

- Nhóm 1: Nhóm các phương pháp gi ả thiết trước hình dạng của mặt trượt và coi khối trượt như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn Các phương pháp này dựa trên các tài liệu thực nghiệm về hình dạng mặt trượt và nhiều kết quả quan trắc các mặt trượt của mái dốc hay nền đắp trên đất yếu trong thực tế mà đưa ra các giả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt và phương pháp tính toán tương ứng

- Nhóm 2: Nhóm các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn của các điểm trong khối đất Các phương pháp thuộc nhóm này dựa vào giả thiết cơ bản

là, mọi điểm trong khối đất mái dốc hay nền đ ắp trên đất yếu phải thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn

Nhóm phương pháp thứ hai có lời giải chặt chẽ, phản ánh gần đúng trạng thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại nhưng do lời giải của bài toán rất phức tạp, tốn nhiều công sức nên nhóm phương pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong

thực tế Đại diện cho nhóm này là các phương pháp của W Rankine, F Kotter, V

K Terzaghi, H Krey-Bishop,… và được đánh giá là tương đối phù hợp với thực

tế Vì thế, dưới đây trình bày tóm t ắt nguyên tắc tính toán theo các phương pháp giả định trước mặt trượt, tính toán kiểm tra ổn định mái dốc theo phương pháp của K Terzaghi, và phương pháp đơn gi ản hóa c ủa Bishop, được lấy với tính chất là thuật toán tiền định làm cơ sở cho tính toán xác suất mái dốc, cũng như của nền đắp trên đất yếu [7]

2.1.1 Nguyên tắc tính toán theo các phương pháp giả định trước mặt trượt

Sự ổn định của nền đắp trên đ ất yếu phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực nước lỗ rỗng Trong khi thi công khối đắp, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng lên và sau khi thi công, nó sẽ dần giảm xuống Trong các rãnh hào, việc đào ban đầu sẽ làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, nhưng khi có dòng thấm chúng sẽ dần tăng lên Ứng suất hiệu quả và do vậy độ bền chống cắt thường tỉ lệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng Hệ số an toàn giới hạn (thấp nhất) vì thế đạt được trong khi thi công hay sau khi thi công khối đắp sẽ dần lớn hơn, đất sẽ dần dần bền chắc hơn Nghĩa

là, độ bền chống cắt trong khối đất sẽ tăng lên theo thời gian và hệ số an toàn cũng vậy

Bởi thế cần phải xem xét cả sự ổn định ngắn ngày (cuối thi công) và dài ngày Trong điều kiện ổn định ngắn ngày, sẽ là phù hợp nếu cho rằng là hoàn toàn không thoát nước và độ bền chống cắt được cho bởi τ = cu (có nghĩa υu = 0)

Với bài toán dài ngày và bài toán có điều kiện biến đổi kéo dài sau khi kết thúc thi công, phải yêu cầu phân tích ở dạng ứng suất hiệu quả Những phương pháp này có thể thực hiện ở dạng phân tích cân bằng lực hay cân bằng momen, với

mặt trượt phẳng, tròn hay mặt trượt thay đổi bất kỳ Trong trường hợp với bài toán phức tạp có thể dùng dùng phương pháp đường ứng suất và đường trượt Chúng ta xét một số trường hợp sau đây [3]

Phân tích ứng suất tổng có thể dùng cho trường hợp mái dốc mới đắp, hay mới đào trong đ ất sét hoàn toàn bão hòa Vì υu = 0, độ bền cắt không thoát nước τ

= cu Giả thiết mặt cắt của mặt phá ho ại có dạng trụ tròn và tâm của mặt trượt giới hạn ở một điểm nào đó trên đỉnh mái dốc Mặt trượt giới hạn (phá hoại) là một trong vô số các mặt khả dĩ vẽ được với bán kính và tâm khác nhau (hình 2.1) Một

số mặt trượt sẽ qua chân mái dốc và số khác sẽ cắt mặt đất ở phía trước chân mái dốc

Hình 2.1 Các mặt trượt có bán kính và cung trượt khác nhau

Mặt trượt giới hạn là một mặt mà dọc theo nó sự phá hoại dễ xảy ra nhất và hệ

số an toàn thấp nhất Chọn một số mặt trượt để thử và việc phân tích được lặp lại đối với mỗi mặt trượt cho tới khi nhận được hệ số an toàn thấp nhất

On

O1

R1

Rn

Momengaytruot W d



(2.10) trong đó: W - trọng lượng của khối trượt;

d - cánh tay đòn c ủa lực gây trượt W đối với tâm trượt O;

c u - lực dính đơn vị của đ ất dọc theo mặt trượt tròn AB;

độ bền kháng cắt không có nhưng nếu chứa đầy nước, trong mômen phá hoại lại

Hình 2.3 Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng

phải tính thêm đến lực thủy tĩnh Pw tác dụng theo phương ngang:

2 W

F Momengaytruot d P

2 đuôi cung A và B thành các mảnh có bề rộng b bằng nhau

Hình 2.4 Phương pháp phân mảnh

Các lực tác dụng lên một mảnh có chiều dài 1m theo phương chiều dài mái đắp gồm có:

W – trọng lượng của mảnh, W = γhb;

N’ – phản lực pháp tuyến hiệu quả lên đáy mảnh;

T – lực cắt dọc theo đáy mảnh, T = Wsinα;

R 1 , R 2 – các lực bên do hai mảnh kề với mảnh đang xét tác dụng, chúng có thể

được đưa vào hoặc không đưa vào các lời giải;

E 1 và E 2 – lực pháp tuyến giữa các mảnh;

Ngoài ra, trọng lượng của mảnh phải kể thêm giá trị của tải trọng trên mặt đất tác dụng trong phạm vi chiều rộng của mảnh

Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mômen phá hoại sẽ cân bằng với mômen của các lực chống trượt dọc theo mặt trượt AB [3]:

ở đây LAB - chiều dài cung AB, gần đúng LA B = β.R (h.2.4).

Kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào giá trị N’ nhận được như thế nào Một loạt các phương pháp đã được đề nghị, một số thì tương đối đơn giản và một

số khá chặt chẽ Việc đánh giá chính xác nhất đạt được theo phương pháp khá chặt chẽ, nhưng chỉ có khả năng thực hiện nếu dùng chương trình máy tính Có thể dùng lối dung hòa bằng cách sử dụng phương pháp phân tích đơn giản với hệ số an toàn tăng lên [3]

- Phương pháp của Fellenius

Phương pháp này giả thiết các lực tác dụng của các mảnh bên lên mảnh đang xét bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là E1= E2, X1 = X2 Ngoài ra, mái dốc và nền là đồng nhất Bây giờ chỉ cần xét các lực tác dụng lên đáy của mảnh, khi đó:

Hay

Thay ∑ N’ vào công thức (2.13) ta có hệ số ổn định:

W sin

c L b h F

Để đảm bảo độ chính xác tối thiểu, số các mảnh tính toán không được nhỏ

hơn 5, và rõ ràng số các mảnh càng lớn thì việc đánh giá F sẽ càng chính xác hơn Tuy nhiên phương pháp này có cho giá trị F nhỏ hơn khoảng chừng 50% so với

thực tế Sai số có thể tăng lên khi ru lớn và cung trượt nằm sâu hay có bán kính tương đối nhỏ, trong các trường hợp đó, dùng phương pháp Bishop là thích hợp

- Phương pháp của K Terzaghi

Một trong các phương pháp được dùng khá phổ biến trong thực tế là phương pháp của K Terzaghi Khi tính toán kiểm tra ổn định mái dốc hay nền đắp, K Terzaghi đã đưa vào một vài giả thiết để đơn giản hơn nữa việc tính toán [7]

Giả sử có công trình dạng mái dốc hay nền đắp trên đất yếu ABC như trên hình 1 Mặt trượt CA’ dạng trụ tròn có bán kính R, tâm trượt tại O1

Chia khối đất cao hơn mặt trượt

thành các cột thẳng đứng riêng biệt

với chiều rộng b i, xem xét sự ổ n định

của mỗi cột dưới tác dụng của trọng

lượng bản thân cột đất và tải trọng

phân bố phía trên, đồng thời bỏ qua

tương tác của cột đất với các cột bên

( )

1

q h b

m j ji i



ở đây ji,h ji – trọng lượng riêng và chiều cao lớp đất j trong phạm vi cột đất i; m –

số lớp đất trong phạm vi cột đất i; b i – chiều rộng cột i, để đảm bảo độ chính xác,

lấy b i  0 , 1R

Khi đó, thành phần gây trượt của lực G i tiếp tuyến với mặt trượt và mômen do

nó gây ra đối với tâm trượt O1 được xác định theo các công thức sau:

R

r i

i 

trong đó r i – khoảng cách từ trục thẳng đứng đi qua tâm trượt O1 đến điểm đặt của

lực G i (hình 2.1) Góc i được lấy là dương (+) nếu cột đất nằm ở bên phải trục

thẳng đứng đi qua tâm trượt, trong trường hợp ngược lại i được lấy là âm (–)

Các lực ma sát và lực dính chống lại sự trượt của cột đất Các lực này và

mômen do chúng gây ra đối với tâm trượt O1 là:

F i G icosi tgi c i l i; (2.19)

) cos

yi R G tg c l

M     , (2.20)

ở đây i, c i – góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất mà mặt trượt cắt qua

trong phạm vi cột đất i; l i – chiều dài cung trượt thuộc cột đất i

Tổ ng các mômen gây trượt của toàn bộ khối đất bằng

Tương ứng, tổng mômen của các lực giữ bằng

i

i i i

n i

n i i i i

i i с

у o

G

l c tg

G М

M k

Nếu k o k o tc thì ổn định của công trình được đảm bảo, trong đó k o tc– hệ số ổn

định tiêu chuẩn, theo Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262-2000, có thể lấy bằng tc

o

k = 1,1 ÷ 1,2 (Điều II.1.1)

Thông thường, để thiết lập điều kiện ổn định của mái dốc, trước hết người ta xác định vị trí tâm trượt và bán kính mặt trượt trụ tròn Về nguyên tắc, vị trí tâm trượt có thể lấy tuỳ ý và cho đến nay công thức chính xác để xác định vị trí tâm trượt bất lợi là không có [7] Tuy nhiên cần phải chọn vị trí tâm trượt bất lợi sao cho giá trị hệ số ổn định là nhỏ nhất Trong một số tài liệu có nêu phương pháp gần đúng xác định vị trí tâm trượt nguy hiểm [20] Ngày nay, đã có một số chương trình mẫu để tính toán tiền định ổn định chung theo mặt trượt trụ tròn của các công trình, trong đó có mái dốc hoặc nền đắp, trên máy tính điện tử (ví dụ GEO – SLOPE/W.), cho phép xác định vị trí tâm trượt bất lợi và hệ số ổn định nhỏ nhất

- Phương pháp đơn giản hóa của Bishop

Trong điều kiện đất tương đối đồng nhất và khi ru gần như là hằng số, có thể giả thiết các lực tiếp tuyến tác dụng của các mảnh bên lên mảnh đang xét bằng nhau và ngược chiều, có nghĩa là X1 = X2, nhưng E1 ≠ E2 (hình 2.6)

Khi cân bằng các lực dọc theo đáy c ủa mảnh, ta có:

Wsin α - f

l F

 = Wsin α - ' ' tan '

0.

c L N F







Vì thế

Hình 2.6 Mảnh đơn giản hóa của Bishop

Và khi cân bằng các lực theo phương đứng, ta có:

l F

1 [ '.b ( ) tan ')]sec .

1 sin

c W u b F

hợp không bình thường với đáy của mặt phá ho ại sâu và F nhỏ hơn đơn vị Phương

pháp này còn có thể tính đến các thay đổi của lực thấm lên mảnh và ở trong mảnh

sẽ cho hệ số an toàn thấp hơn nhưng chính xác hơn [3] Tuy nhiên phương pháp tinh vi như thế phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá đúng áp lực nước lỗ rỗng

2.2 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo Tiêu chuẩn hiện hành

2.2.1 Các Tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu hiện hành

Cho đến nay, ở trong nước vẫn chưa xây dựng đầy đủ được những tiêu chuẩn riêng của Việt Nam về tính toán thiết kế cũng như quy trình công nghệ thi công mới cho nền đắp trên đ ất yếu mà đều dựa chủ yếu vào các tài liệu ở nước ngoài, được biên soạn chuyển thành Tiêu chuẩn Việt Nam Hiện nay, chúng ta đang thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu theo một số tiêu chuẩn sau:

- Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 – Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô

tô đắp trên đất yếu

- Tiểu chuẩn 22TCN 236-97 – Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu bấc thấm trong xây dựng nền đường trên đất yếu

- Tiểu chuẩn 22TCN 244-98 – Quy trình thiết kế xử lý đ ất yếu bằng bấc thấm trong xây dựng nền đường

- Tiêu chuẩn 22TCN 248-98 – Vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu

2.2.2 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về trượt trụ tròn

Trong phần này của luận văn trình bày các phương pháp tính kiểm tra ổn định

về trượt sâu của nền đắp trên đ ất yếu theo Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 – Quy trình

khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu [1]

Hình 2.7 Sơ đồ các dạng mất ổn định của nền đắp trên đất yếu do trượt

a)

b)

Khi mất ổn định về trượt sâu, trong nền đ ất yếu xảy ra một mặt trượt liên tục làm xé rách nền đ ắp và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía chân taluy Mặc dù trượt cục

bộ nhưng trong thực tế nền đ ắp và nền đất yếu đều vượt qua giới hạn tương ứng với trạng thái ổn định tổng thể và đều bị phá hoại Biểu hiện rõ rệt nhất của dạng phá hoại này là một phần nền đ ắp bị sụt tạo thành bậc trượt ở đỉnh nền đ ắp, còn ở dưới chân taluy đất yếu bị trồi lên (h.2.7)

Theo Tiêu chuẩn [1], việc tính toán ổn định trượt sâu của nền đắp trên đất yếu chính là xác định được mặt trượt tròn nguy hiểm nhất và hệ số ổn định nhỏ nhất

Kmin Để xác định mặt trượt tròn nguy hiểm và hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin ta có thể

sử dụng một trong các phương pháp sau để tính toán [1]:

- Phương pháp phân mảnh cổ điển

- Phương pháp Bishop

Khi áp dụng phương pháp nghiệm toán ổn định theo cách phân mảnh cổ điển với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đ ất yếu và các thông số tính toán được xác định theo [1] thì hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin = 1,20 (riêng trường hợp dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm để nghiệm toán thì Kmin = 1,10)

Khi áp dụng phương pháp Bishop để kiểm toán ổn định thì hệ số ổn định lấy theo phương pháp này là Kmin = 1,4

a) Tính toán theo phương pháp phân mảnh cổ điển với mặt trượt trụ tròn

Trong trường hợp tổng quát, hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt trụ tròn

có tâm Oj khi có rải vải địa kỹ thuật và lực động đất, được xác định theo công thức sau:

n – tổng số mảnh trượt trong phạm vi khối trượt;

αi – góc giữa pháp tuyến của đoạn mặt trượt l i với phương c ủa lực Qi Góc αi được lấy dấu dương (+) nếu cột đất nằm phía bên trái trục thẳng đứng đi qua tâm trượt, trong trường hợp ngược lại αi được lấy dấu (-)

c i và φ i – tương ứng là lực dính và góc ma sát trong c ủa lớp đ ất chứa đoạn

mặt trượt l i của mảnh trượt thứ i ;

phạm vi mảnh i, 𝑄𝑖 = 𝑏𝑖( 𝛾𝑘 ℎ𝑘+q), với q – tải trọng của công trình quy

đổi tác dụng trên mặt nền đắp;

F – lực giữ (chống trượt) do vải địa kỹ thuật gây ra ;

Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt;

R j – bán kính cong của mặt trượt j;

Y i – cánh tay đòn của lực W i đối với tâm trượt j;

Khi không có vải địa kỹ thuật và lực động đất thì các số hạng có chứa F và

W i bằng 0

Để xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và mặt trượt tròn nguy hiểm nhất ta

có thể sử dụng phần mềm trên máy tính hoặc mò tìm mặt trượt nguy hiểm nhất bằng cách cho vị trí tâm Oj của chúng thay đổi để tính toán

Theo kinh nghiệm việc mò tìm tâm trượt nguy hiểm được thực hiện theo các bước sau:

Trên đường thẳng nằm ngang đi qua tâm trượt thứ nhất O1 tương ứng tính được hệ số ổn định K1, lấy hai tâm trượt nữa là O2, O3 về hai phía c ủa O1 (hình 2.8) Tương ứng xác định được các hệ số ổn định K2, K3 đối với các tâm trượt và mặt trượt tương ứng Chúng ta dựng biểu đồ các giá trị hệ số ổn định K1, K2, K3 và trên phương này ta tìm được hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất Omin

Hình 2.8 Sơ đồ xác định hệ số K m inm in theo phương pháp mò tìm

Qua tâm Omin kẻ đường thẳng theo phương thẳng đứng, trên đó l ấy hai tâm trượt mới O4, O5 về hai phía của Omin Từ đó ta xác định hệ số ổn định K4, K5 đối với các tâm và mặt trượt tương ứng và ta cũng dựng biểu đồ các giá trị hệ số ổn định Kmin, K4, K5 Kết quả là trên phương này ta xác định được hệ số ổn định nhỏ nhất Kminmin và tương ứng là vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất Ominmin

b) Tính toán theo phương pháp Bishop

Khi xác định hệ số an toàn K theo phương pháp Bishop, hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt tròn có tâm Oj trong trường hợp có rải vải địa kỹ thuật và lực động đất được xác định theo công thức sau:

Trong công thức (2.28), các ký hiệu có ý nghĩa hoàn toàn như trong công thức (2.27) Cách xác định chúng cũng hoàn toàn giống như khi tính toán theo phương pháp phân mảnh cổ điển Chỉ khác là quá trình tính toán theo (2.28) và (2.29) là quá trình tính lặp mò dần vì mi ở (2.29) lại phụ thuộc vào Kj Do vậy, nếu sử dụng phương pháp Bishop thì thông thường phải sử dụng các chương trình tính trên máy tính điện tử

Như vậy theo Tiêu chuẩn [1], áp lực nước lỗ rỗng trong công thức Bishop (2.26) đã được bỏ qua

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán ổn định trượt theo phương pháp Bishop

Trên hình 2.9, lớp 1 có thể bao gồm tầng đệm cát mỏng, trên đó có lớp vải địa

kỹ thuật ho ặc có thể là một tầng đ ất mỏ ng không thấm

Khi áp dụng phương pháp Bishop để tính toán ổn định trượt sâu ta sử dụng phần mềm GEO-SLOPE để tính toán

Trình tự xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và mặt trượt tròn nguy hiểm

nhất theo phần mềm GEO-SLOPE có thể xem trong PHỤ LỤC 1 của Luận văn

«TRÌNH TỰ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHỎ NHẤT Kmin VÀ MẶT TRƯỢT TRÒN NGUY HIỂM NHẤT THEO PHẦN MỀM GEO-SLOPE»

2.2.3 Tính toán ổn định c ủa nền đắp trên đất yếu về lún trồi

Khi mất ổn định do lún trồi thì nền đất yếu bị phá hoại do lún xuống ở phần giữa nền đ ắp, đồng thời bị trồi lên ở hai bên chân taluy

Hình 2.10 Sơ đồ mất ổn định của nền đắp trên đất yếu do lún trồi

Để đánh giá khả năng lún trồi của nền đất yếu dưới nền đ ắp ta cần xác định

hệ số ổn định F, sau đó so sánh với hệ số an toàn F q = 1,5 Hệ số an toàn F được

xác định theo công thức sau:

B – bề rộng đáy nền đ ắp;

h – chiều dày lớp đất yếu

- Trường hợp 2: Tỷ số B 1, 49

h  , thì áp lực giới hạn đƣợc tính theo công

(2.33)

trong đó Nc – hệ số thay đổi theo tỷ lệ B/h, đƣợc tra theo hình 2.11

Hình 2.11 Biểu đồ xác định hệ số sức chịu tải N c của nền đất yếu

2.3 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo lý thuyết độ tin cậy

2.3.1 Nguyên tắc tính toán nền đắp trên đất yếu theo lý thuyết độ tin cậy [4]

a) Nguyên tắc liên hệ với các tài liệu tiêu chuẩn hiện hành

Nhƣ đã phân tích ở trên (mục 1.4.2), tính toán độ tin cậy về ổn định của nền đắp trên đất yếu cũng dựa trên cơ sở các nội dung của các tiêu chuẩn hiện hành ở phần các quan điểm xuất phát, các điều kiện làm việc và các sơ đồ tính (điều kiện làm việc không có sự cố phải đồng nhất với điều kiện không xảy ra các trạng thái giới hạn đã đƣợc thiết lập bởi các tài liệu tiêu chuẩn hiện hành)

Các công trình nền đắp trên đ ất yếu ở tất cả các dạng khác nhau được xem như là các công trình có tính chất quan trọng về kinh tế, nghĩa là xảy ra các trạng thái giới hạn hay các sự cố không gây nguy hiểm đối với cuộc sống và sức khoẻ con người

c) Nguyên tắc sự phù hợp của độ tin cậy đã được thiết lập với thời điểm xác định

Độ tin cậy là hàm của thời gian, do vậy phải xác định độ tin cậy đối với thời điểm bắt đầu khai thác, đối với một hoặc một số trạng thái trung gian và vào cuối

thời hạn khai thác Đối với thời điểm tính toán t trong thời hạn phục vụ của công trình, xác suất làm việc an toàn (không xảy ra sự cố) của công trình P(t) phải thoả

mãn điều kiện:

trong đó: P tc  độ tin cậy tiêu chuẩn ho ặc cho trước đối với các thời điểm tính toán

d) Nguyên tắc tiêu chuẩn hoá độ tin cậy

Độ tin cậy tiêu chuẩn P tc của các cấu kiện và nền càng cao nếu mức độ quan trọng của công trình và mức độ nguy hiểm của sự cố càng cao

e) Nguyên tắc các mức tính toán về độ tin cậy

Mức thứ nhất: Tính toán độ tin cậy và sự thay đổi của nó với các quy luật phân bố của tải trọng và các tham số của công trình đã được thiết lập trong giai đoạn lựa chọn dạng công trình

Mức thứ hai: Tính toán công trình theo độ tin c ậy yêu c ầu ho ặc cho trước

Mức thứ ba: Tính toán công trình được thiết kế hoặc sửa chữa trên cơ sở tối

ưu hoá với các chi phí được đưa ra nhỏ nhất khi đạt được mức độ tin cậy yêu cầu

f) Nguyên tắc lựa chọn mô hình xác suất có xét đến thuật toán tiền định

Việc lựa chọn mô hình tính toán xác suất được xác định theo dạng thuật toán tiền định và theo mức cơ sở thông tin hiện có Trong giai đoạn hiện nay, mô hình xác suất cơ bản là mô hình các đ ại lượng ngẫu nhiên và các hàm của chúng

g) Nguyên tắc đảm bảo tính toán bởi các thông tin thống kê

Các tài liệu về tải trọng và tác động, các kích thước công trình và nền, các đặc

trưng của các vật liệu xây dựng, các chỉ số tính chất của đất nền và đất lấp phải

thoả mãn các yêu cầu sau: tính tin cậy, tính đại diện, tính đồng nhất của các số liệu

thống kê, sự tương thích c ủa các tham số tính toán

h) Nguyên tắc phụ thuộc vào độ tin cậy chung của công trình và độ tin cậy

của các bộ phận hợp thành của nó

Độ tin cậy P s của công trình được thiết lập trên cơ sở phân tích cấu trúc công

trình và nền của nó, làm rõ những sự cố có thể xảy ra đối với từng bộ phận và nền

và đưa vào ma trận xác suất làm việc an toàn c ủa cả hệ thống

2.3.2 Phương pháp tính toán độ tin cậy về ổn định của nền đắp trên đất yếu

Hiện nay phương pháp Monte Clarlo và phương pháp tuyến tính hóa được coi

là các phương pháp cơ bản tính toán các đặc trưng xác suất của hàm độ bền và hàm

tải trọng, từ đó xác định được độ tin cậy của kết cấu công trình và nền [4 ], [19]

Như đã biết, mật độ phân bố của các tham số kết cấu, tải trọng, đất nền và đất lấp

hầu hết theo quy luật phân bố chuẩn ho ặc rất gần với phân bố chuẩn [4], [14] Vì

thế, có thể áp dụng phương pháp tuyến tính hoá để tính toán xác suất công trình và

nền [14]

a) Nội dung của phương pháp tuyến tính hoá

Để tính độ tin cậy P phải xác định các đặc trưng thống kê của độ bền hay khả

năng chịu tải R và của hàm nội lực S do tải trọng ngoài Trong quan hệ tiền định, độ

bền hay khả năng chịu tải R và hàm nội lực S có thể viết dưới dạng các hàm sau

đây [4]:

R f R(r1,r2, ,r n),

S  f S(s1,s2, ,s m), (2.35) trong đó:

n r r

r1, 2, ,  là các tham số tính toán c ủa hàm độ bền;

m s s

s1, 2, ,  là các tham số tính toán c ủa hàm nội lực

Thực tế đã chỉ ra rằng, hầu như tất cả các tham số r1,r2, ,r n,s1,s2, ,s mđều là

các đại lượng ngẫu nhiên Kỳ vọng toán của hàm các tham số ngẫu nhiên bằng đại

lượng được xác định theo quan hệ tiền định với việc đưa vào kỳ vọng toán của các

đại lượng ngẫu nhiên, nghĩa là

R f R(r1,r2, ,r n),

S  f S(s1,s2, ,s m), (2.36) trong đó:

n r r

m s s

Phương sai của hàm các tham số ngẫu nhiên được xác định theo công thức

của lý thuyết xác suất:

2 1

2 2 1

i R n

R i

f r

r

f R

2 2 1

i S m

S i

f s

s

f S

2

,,,

i S i

R i S

i

R

s

f r

f s

  đạo hàm riêng cấp một và cấp hai của hàm các tham số

ngẫu nhiên của hàm độ bền hay hàm nội lực;

Tiếp theo, độ tin cậy hay xác suất làm việc không xảy ra sự cố của cấu kiện

hoặc nền vào thời điểm t bất kỳ có thể được xác định theo công thức

trong đó:

S, S tương ứng là kỳ vọng toán và độ lệch chuẩn của hàm tải trọng S;

R, R  tương ứng là kỳ vọ ng toán và độ lệch chuẩn của hàm độ bền R;

 hàm phân bố chuẩn;

– chỉ số độ tin cậy

b) Phương pháp Monte Carlo

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, do số lượng mẫu thử hạn chế và do các đặc điểm công nghệ hoặc các nguyên nhân khác mà các quy luật phân bố của các tham số có thể chỉ gần với phân bố chuẩn, chúng có độ lệch và độ nhọn nhất định Điều đó có thể dẫn đến sai số lớn khi xác định xác suất làm việc an toàn của cấu kiện hoặc nền theo phương pháp tuyến tính hóa Do vậy, để tính toán độ tin cậy của các cấu kiện hoặc nền, hợp lý hơn cả là sử dụng phương pháp bán bất biến tổng quát c ủa Pavlốp Iu A Độ tin cậy của các c ấu kiện chịu tải và nền theo phương pháp này được trình bày chi tiết trong tài liệu [4]

Ngoài ra, thực tế tính toán chỉ ra rằng, đối với các kết cấu đơn giản có thể sử dụng phương pháp tuyến tính hoá Nhưng khi các hàm độ bền và nội lực (2.35) phức tạp và phụ thuộc vào một số lượng lớn các biến ngẫu nhiên, việc xác định các phương sai D , R D S theo (2.37) cũng phức tạp và dễ nhầm lẫn Đặc biệt, khi hệ phức tạp, không phải bao giờ cũng viết được các hàm độ bền và hàm nội lực một cách tường minh như công thức (2.35)

Vì thế, để tính toán xác suất công trình, tốt nhất nên sử dụng các phương pháp số: phương pháp Monte Carlo, phương pháp thử nghiệm thống kê,… với việc sử dụng máy tính điện tử

Phương pháp Monte Carlo – đó là phương pháp số giải quyết nhiều bài toán khác nhau nhờ việc mô hình hoá thống kê các đ ại lượng ngẫu nhiên [5]

Các đặc trưng cơ bản của phương pháp Monte Carlo:

− Phương pháp Monte Carlo thực tế là phương pháp đầu tiên tiến hành thực nghiệm trên các mô hình toán học nhờ máy tính điện tử Điều đó có nghĩa là, việc